純凈的持續(xù)性能源供應(yīng)-燃料電池應(yīng)用優(yōu)勢(shì)概論（下）

電極、質(zhì)導(dǎo)膜及觸媒的特性

接著將討論電極、質(zhì)導(dǎo)膜及觸媒的特性。電極(陰極、陽(yáng)極)的功能在于傳導(dǎo)電流及氣體，同時(shí)可做為觸媒的載體(back support)。目前最為廣泛使用且性能可靠的電極材料為碳制成的纖維織布或紙。碳電極為微米至納米等級(jí)的多孔或介孔性(mesoporous)材料，具有表面積大(＞75 m2/g)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能讓氣體燃料通過(guò)。最近也有研究是嘗試以納米碳管作為電極材料。

PEMFC多采用高分子薄膜電解質(zhì)，內(nèi)部為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提供原子級(jí)(atomic scale)的離子信道，其必須具備高離子傳導(dǎo)性、高滲透選擇性(只傳導(dǎo)氫離子)、化學(xué)穩(wěn)定性及熱穩(wěn)定性佳等特性。質(zhì)子交換膜表面與陰極、陽(yáng)極、觸媒等材料直接接觸，因此其接口氧化還原反應(yīng)的效率與燃料電池效率息息相關(guān)，目前較可靠且廣為接受的是杜邦的Nafion系列產(chǎn)品，此外也有許多其他不同高分子薄膜電解質(zhì)的研究或商品。

由于PEMFC使用濕潤(rùn)化Nafion型高分子膜作為電解質(zhì)層，因此操作溫度必須控制在100℃以下，此種低溫條件使電極中的白金觸媒對(duì)CO的抵抗力減弱，造成燃料氣體中的CO濃度需要嚴(yán)格的限制。但是Nafion膜的質(zhì)子傳輸效率極佳，因此反而可以提高反應(yīng)時(shí)的電流密度，再加上低溫與非腐蝕性等優(yōu)良特性，使得此種電池具有重量輕、體積小、激活快與機(jī)組材料選擇彈性大等多種優(yōu)點(diǎn)。

以氫氣為燃料、氧氣為氧化劑，透過(guò)化合作用發(fā)電，此種燃料電池又叫再生性氫氧燃料電池(regenerative fuel cell，RFC)。氫和氧化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的生成物為水蒸氣(H2O)，不會(huì)排放碳化氫(HC)、一氧化碳(CO)、氮化物(NOX)和二氧化碳(CO2)等污染物質(zhì)，排出物是無(wú)污染的水。氫氧燃料電池的作用原理是：以氫氣為燃料和氧氣經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)后，透過(guò)質(zhì)子交換膜產(chǎn)生電能，氫氧燃料電池排放出非常清潔的副產(chǎn)品——水，它的優(yōu)點(diǎn)為發(fā)電效益高，且最終副產(chǎn)品只有熱能與純水，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成任何威脅，相當(dāng)符合環(huán)保交通工具的需求，因此預(yù)計(jì)往后在各型交通車輛上都可看見(jiàn)其身影。也正因?yàn)榫邆淞饲笆龅母黜?xiàng)特性，PEMFC目前正積極應(yīng)用于車輛動(dòng)力系統(tǒng)、大型現(xiàn)場(chǎng)發(fā)電機(jī)組與小型攜帶式電力裝置上。前兩種應(yīng)用，因需考慮燃料處理設(shè)備所導(dǎo)致的復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式，且必須與造價(jià)較低廉的傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)，故短期內(nèi)尚無(wú)法付諸商業(yè)化應(yīng)用。但在小型攜帶式電力方面，諸如筆記本計(jì)算機(jī)、手機(jī)、攝錄像機(jī)等可攜式裝置大多采用價(jià)格較高的鎳氫或鋰電池，因此在此領(lǐng)域上PEMFC將有機(jī)會(huì)與之一較高下。

PEMFC的觸媒材料依其功能分為氫觸媒與氧觸媒兩種，分別使用于陽(yáng)極/質(zhì)子交換膜界面及陰極/質(zhì)子交換膜接口。根據(jù)電催化效應(yīng)(Electrocatalysis)作用，氫觸媒促使氫原子氧化為質(zhì)子，氧觸媒則促使氧原子還原為水。觸媒材料的選擇有三大要件：高分散度下的均勻性、催化活性與安定性。就對(duì)操作環(huán)境較為單純的氫/氧質(zhì)子交換膜燃料電池而言，以鉑系金屬(Pt、Pd等)為最適合，為提高其電化活性，通常制成納米級(jí)粉末，先均勻散布于碳顆粒上，再將之涂布于電極表面，由于大小只有20納米，其電催化能力因而大幅提升，因此可以降低電化學(xué)反應(yīng)所需的溫度。

碳電極與質(zhì)導(dǎo)膜形成的夾層結(jié)構(gòu)通常稱為膜極組，所有燃料電池的反應(yīng)均發(fā)生于此，可以說(shuō)是燃料電池的心臟。以不銹鋼或石墨板等耐腐蝕材料將膜極組封裝之后，即形成目前使用的燃料電池組件，如圖5。

圖5　膜極組的構(gòu)造及相關(guān)電化學(xué)反應(yīng)

燃料電池技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用

燃料電池最早被用在美國(guó)登陸月球的太空設(shè)備的主要電力與水、熱量等的供應(yīng)。但由于燃料電池的成本昂貴，在之后30年始終沒(méi)有商品化。然而，近年來(lái)燃料電池在技術(shù)上產(chǎn)生了革命性的突破，其中以質(zhì)子交換膜型(PEMFC)、平板型固態(tài)氧化物電解質(zhì)(SOFC)及直接式甲醇燃料電池(DMFC)最被看好，其未來(lái)商機(jī)龐大，因此吸引了世界各國(guó)政府、民間企業(yè)與學(xué)術(shù)單位投入大量人力及資金研發(fā)該技術(shù)。

世界主要汽車制造商，如Toyota、Honda、Ford、Nissan、Daimler-Chryler及GM等汽車公司已投入數(shù)十億美元從事燃料電池汽車的開(kāi)發(fā)工作，相信在不久的將來(lái)便可看到部份產(chǎn)品的商品化應(yīng)用。而加州環(huán)保署空氣資源委員會(huì)(California Air Resources Board)也與業(yè)者策略聯(lián)盟研發(fā)燃料電池。另外，新加坡政府也投入數(shù)億美元與Daimler-Chrysler合作研發(fā)燃料電池汽車并建構(gòu)燃料供給系統(tǒng)。

大量研發(fā)資源還投入了小型家用或大樓的分布式電源供應(yīng)系統(tǒng)，如Plug/GE公司成功測(cè)試了上百個(gè)PEM燃料電池，只要導(dǎo)入家用天然瓦斯便可發(fā)電。估計(jì)若有20萬(wàn)戶家庭，每戶家庭各安裝一個(gè)7 KW的燃料電池，其發(fā)電量總和將可望趨近于一個(gè)核能發(fā)電機(jī)組的總發(fā)電量。這種離散式的發(fā)電系統(tǒng)，可用于尖峰或連續(xù)用電的供給，且供電相當(dāng)穩(wěn)定，適用于目前新興高科技產(chǎn)業(yè)如半導(dǎo)體、固網(wǎng)、無(wú)線通信等產(chǎn)業(yè)。另外，燃料電池在德國(guó)也被用作潛水艇的動(dòng)力及用于驅(qū)動(dòng)汽車和居民供電供暖。

日本研發(fā)的FCX-V3燃料電池汽車的燃料氫，是填充在250個(gè)大氣壓下的高壓蓄氫槽里。日本豐田公司與本田公司已于2002年12月開(kāi)始生產(chǎn)全球第一批燃料電池汽車。至于加拿大所研發(fā)的Mark-900燃料電池，則是使用甲醇或氫為燃料，可在零下40℃的低溫下工作。大量生產(chǎn)時(shí)，燃料電池的成本與現(xiàn)有內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)接近。而臺(tái)灣業(yè)者則已將氫氧燃料電池運(yùn)用于電動(dòng)自行車上，電力用完之后，只需要添加燃料氣體即可迅速恢復(fù)電能的供給，非常符合快速環(huán)保方便的需求。

可攜式應(yīng)用

2005年全球可攜式燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)量約3000種，主要客戶為美國(guó)軍用市場(chǎng)，作為供應(yīng)軍人便攜式武器所需的移動(dòng)式電源。而目前可攜式燃料電池技術(shù)類型以PEMFC及直接甲醇燃料電池為主。由于甲醇能源密度較高，因此應(yīng)用于可攜式電子產(chǎn)品的微型燃料電池多為采用甲醇的燃料電池。

因應(yīng)數(shù)字寬頻時(shí)代的來(lái)臨，目前鋰離子電池技術(shù)將無(wú)法應(yīng)付未來(lái)多功能消費(fèi)性電子產(chǎn)品的強(qiáng)大電力需求，因此國(guó)際上許多廠商皆看好微型燃料電池于可攜式產(chǎn)品的應(yīng)用市場(chǎng)。但發(fā)展至今，目前微型燃料電池應(yīng)用于筆記型計(jì)算機(jī)、手機(jī)等可攜式電子產(chǎn)品的商業(yè)化市場(chǎng)仍尚未成形。主要原因除因甲醇有安全性考量、燃料攜帶受到安規(guī)限制之外，DMFC在低甲醇cross-over薄膜技術(shù)等問(wèn)題亦有待進(jìn)一步突破。

目前大多數(shù)廠商采取較穩(wěn)扎穩(wěn)打的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)策略，先將燃料電池作為電池充電器，再設(shè)法將產(chǎn)品小型化，并朝系統(tǒng)整合目標(biāo)邁進(jìn)。例如德國(guó)Smart Fuel Cell與英國(guó)Voller Energy即采類似的經(jīng)營(yíng)策略，針對(duì)休閑娛樂(lè)及工業(yè)用途推出利基型DMFC發(fā)電機(jī)，為現(xiàn)階段可攜式燃料電池應(yīng)用市場(chǎng)中銷售最成功者。

而在甲醇燃料流通性與微型燃料電池產(chǎn)品安規(guī)方面，2005年10月國(guó)際民航協(xié)會(huì)已建議取消攜帶甲醇燃料上客機(jī)的禁令， 2006年IEC也將公布DMFC產(chǎn)品安全規(guī)范，預(yù)計(jì)各國(guó)政府將于2007年起陸續(xù)實(shí)施，屆時(shí)直接甲醇燃料電池將可順利導(dǎo)入市場(chǎng)，于可攜式產(chǎn)品的應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模更可望于2010年后迅速成長(zhǎng)。

國(guó)際大廠對(duì)于微型燃料電池的應(yīng)用產(chǎn)品皆擬定了相關(guān)的開(kāi)發(fā)計(jì)劃，包括日本KDDI將日立或東芝的DMFC技術(shù)應(yīng)用于手機(jī)，DoCoMo亦利用富士通實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的甲醇微型燃料電池應(yīng)用于手機(jī)充電器，這兩家廠商均計(jì)畫于2007年將產(chǎn)品商品化。至于在筆記型計(jì)算機(jī)應(yīng)用方面，Casio開(kāi)發(fā)利用甲醇重組技術(shù)的PEMFC雛形機(jī)，東芝及Samsung則開(kāi)發(fā)DMFC產(chǎn)品，目前最久已可供筆記本電腦運(yùn)作10小時(shí)。此外，臺(tái)灣勝光科技的DMFC技術(shù)亦針對(duì)此一應(yīng)用市場(chǎng)。

Samsung SDI也于2006年初發(fā)表應(yīng)用于可攜式媒體播放器的微型燃料電池，所需的甲醇燃料盒體積僅20cm3，供應(yīng)電力約1.5W，可連續(xù)播放4小時(shí)電影，比起目前鋰電池的供電時(shí)間提高約一倍，該公司預(yù)計(jì)將于2008年量產(chǎn)此款新型DMFC。日、韓廠商憑借在電子產(chǎn)品發(fā)展的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)加上各自政府政策獎(jiǎng)勵(lì)，未來(lái)在全球微型燃料電池市場(chǎng)將占有舉足輕重的地位，因此我們的電子及電源廠商也必須加緊開(kāi)發(fā)腳步，才能掌握下一輪競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì)。

結(jié)語(yǔ)

目前成功的燃料電池應(yīng)用實(shí)例有大型發(fā)電機(jī)、太空載具的能源供應(yīng)器、機(jī)動(dòng)車輛能源供應(yīng)器等等。近來(lái)，將燃料電池微型化，并運(yùn)用于可攜式電子產(chǎn)品(例如手機(jī)、筆記本電腦與數(shù)字相機(jī)等產(chǎn)品)，或作為可便攜式發(fā)電機(jī)，已經(jīng)成為最新的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)。更加微小的設(shè)計(jì)則可運(yùn)用于需長(zhǎng)時(shí)間放電的微傳感器，或分離式通訊系統(tǒng)上。不論其尺寸大小與應(yīng)用領(lǐng)域，燃料電池能源轉(zhuǎn)換效率高、污染性低的優(yōu)點(diǎn)，特別是降低大氣污染及減少二氧化碳的排放，將不負(fù)其高效率綠色能源的美名。而其所具有的種種特點(diǎn)，也將使得燃料電池成為往后替代能源發(fā)展的主要趨勢(shì)。(本文摘自《零組件》雜志)